High efficiency enabled by  hydrous ethanol use in dual‐ fuel engines  

October 2014  By:  Will Northrop  University of Minnesota  Partners:  Minnesota Corn   

 

 

Contents  PROJECT OBJECTIVES .................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.  DESCRIPTION OF WORK PERFORMED ............................................................................................................................... 3  RESULTS OF TECHNOLOGY OF PROCESS ASSESSED .......................................................................................................... 10  BENEFIT TO MINNESOTA ECONOMIC DEVELOPMENT .................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.  MARKETING .................................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.  CONCLUSIONS ............................................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.  FUTURE NEEDS/PLANS .................................................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 

                           

1

Project Objectives:  The purpose of this project is to use hydrous ethanol to demonstrate high efficiency with reduced emissions  in a modified diesel engine where ethanol provides up to 80% of the fuel energy input. Our approach improves  on traditional ethanol fumigation in diesel engines and opens up new applications for ethanol as a diesel fuel  replacement. A key motivation for this work is previous research that suggests hydrous ethanol is less expensive  to produce than anhydrous ethanol and more renewable due to lower fossil energy consumption1,2,3. Eliminating  dehydration and limiting distillation can save considerable energy in production and increases the sustainability  of the overall process. Greater use of hydrous ethanol will improve both the economics and life cycle analysis of  ethanol.  This project is also motivated by the desire to expand the market for fuel ethanol. The State of Minnesota  consumed 941million gallons of diesel fuel in 2009, with the majority used in on‐highway applications (16% used  in agriculture). Hypothetically, if 10% of that amount were replaced with ethanol, it would consume  approximately 0.9% of the US installed Ethanol production capacity. With increasing diesel market price,  motivation for replacement with ethanol, especially in the U.S. Midwest, is strong. Manufacturers are starting to  recognize that ethanol can be an effective diesel alternative as evidenced by Cummins Inc. which has announced  a 2.8L high output spark ignition engine that operates solely on E854. Dual fuel strategies using ethanol and  diesel are also attractive. Also known as fumigation, the concept involves injection of ethanol in the intake  manifold and direct injection of diesel fuel into the cylinder as shown in Figure 1.  Hydrous ethanol has advantages when used in dual‐fuel diesel engines. Previous work has shown potential  to reduce regulated diesel exhaust emissions such as oxides of nitrogen (NOx) and particulate matter (PM).  Depending upon the type and extent of reduction, advanced emission control technology, such as diesel  particulate filters and selective catalytic reduction using urea, may not be required to meet the off‐road  regulations. Eliminating the requirement for aftertreatment devices reduces capital equipment and  maintenance costs. In this project, a new dual‐fuel combustion mode, reactivity controlled compression ignition  (RCCI) is used to reduce soot and oxides of nitrogen (NOX) emissions while maintaining very high engine  efficiency. In RCCI, a less reactive fuel like ethanol is injected into the intake port and diesel fuel is injected  directly into the cylinder. 

1

 Martinez‐Frias, J., Aceves, S. M. & Flowers, D. L. Improving Ethanol Life Cycle Energy Efficiency by Direct Utilization of Wet  Ethanol in HCCI Engines. J. Energy Resour. Technol. 129, 332 (2007).  2  Shapouri, H., et al. The energy balance of corn ethanol revisited. Transactions of ASAE 46(4):959‐968 (2003).  3  Shapouri, H., et al. Estimating the net energy balance of corn ethanol. USDA Economic Research Service (1995).  4  http://cumminsengines.com/cummins‐ethos‐28l‐engine‐demonstrates‐50 

2

  Figure 1: Illustration of dual‐fuel injection system used in this project  Compared with traditional fumigation where diesel fuel is injected close to the top of the compression  stroke, RCCI uses very early direct injection of diesel to create a primarily premixed fuel and air mixture. The  amount and timing of the diesel injection controls ignition enabling combustion to proceed without fuel‐rich or  high temperature zones thus mitigating pollutant formation. Premixed combustion also allows for  thermodynamically optimal operation which has shown to improve efficiency of diesel engines.   The originally stated project objectives are as follows:  1) Examine  RCCI  operation  with  hydrous  ethanol  a  single  cylinder  research  engine  to  optimize  engine  efficiency  while  maintaining  low  engine  out  NOX  and  soot  emissions.  DOE  methodology  will  be  used  to  explore the widest possible range possible.   2) Gather and analyze resulting data from single‐cylinder testing in a sensitivity matrix to show the feasible  operating range for a hydrous ethanol fueled RCCI combustion mode regime.   3) Experimentally  verify  the  performance  and  emissions  improvements  in  a  full‐scale  multi‐cylinder  diesel  engine modified for RCCI operation with hydrous ethanol as the primary fuel.   4) Recommend applications for the practical use of hydrous ethanol in diesel engines operating in the RCCI  mode.    Description of Work Performed:  A single‐cylinder test engine setup was prepared for hydrous ethanol RCCI operation. The engine used in this  study was a modified four‐cylinder Isuzu commercial engine converted to single cylinder use. It was fully  instrumented and equipped with a port fuel injection system for ethanol. The single‐cylinder engine test stand  was modified to accommodate increasing cylinder pressure, intake heating and exhaust gas recirculation (EGR).  This was accomplished by connecting the engine to the university’s clean and dry compressed air system and by  plumbing an EGR line with a cooler. A hot‐air mass flow meter, expansion tank for dampening out engine  pulsations and a resistive air heater were also installed. A photo of the modified engine setup is shown in Figure  2.  

3

  Figure 2: Modified single cylinder engine test stand including plumbed compressed air line, expansion tank, air  heater and EGR system.  To evaluate single‐cylinder RCCI operation, engine load was swept over the range from 10 to 35 indicated  HP/cylinder, with some operating parameters held constant, as shown in Table 1. We have found that increased  intake pressure allows sufficient air to enter the cylinder at higher loads while using EGR dampens excessive  peak cylinder pressure. Increased intake manifold temperature is necessary to increase the reactivity of hydrous  ethanol such that ignition can occur at lower loads. Intake pressure, EGR and intake manifold temperature were  changed with engine load setting. The test matrix of parameters that were varied during the RCCI evaluation is  shown in Table 2.                

4

Table 1: The parameters held constant during the RCCI evaluation. The engine was operated with two‐step split  diesel injection   

Units 

Parameter 

Speed  

rpm 

1500 

1st diesel injection timing 

°BTDC 

60 

% of diesel in 1st injection 

% 

60 

Ethanol in water  

% b.v. 

75 

Diesel energy fraction 

% LHV 

25 

Coolant temperature 

°C 

85 

  Table 2: Parameters varied during the RCCI evaluation   

Units 

Range 

Indicated power* 

HP/cyl 

10 ‐ 35 

2nd diesel injection timing 

° BTDC 

40 ‐ 25 

Diesel injection pressure  

bar 

400 ‐ 800 

EGR 

% 

0 ‐ 35 

Intake pressure 

kPa 

0 ‐ 230 

Intake temperature 

°C 

40 ‐ 100 

*as measured by in‐cylinder pressure data  The following describes selected results of testing the engine using 150 proof ethanol (75% ethanol in water)  over the engine load range from 10 to 35 hp/cylinder. A constant diesel energy fraction of 25% based on lower  heating value was used. Figure 2‐3 shows the indicated specific (IS) NOX, soot, non‐methane hydrocarbons  (NMHC) and carbon monoxide (CO) emissions results as a function of the timing of the second diesel fuel  injection (the first injection is held constant). These were calculated based on measured concentrations in the  exhaust and indicated power output of the engine as calculated from in‐cylinder pressure measurements.  Indicated power reflects the amount of power generated by the engine cycle and does not include friction and  auxiliary loads. The first diesel injection timing represented 60% of the diesel fuel input and was timed at 60 °  BTDC. NOX and soot emissions for hydrous ethanol RCCI remained low up to a load of 34.9 hp/cylinder as shown  in Figure 3. For the loads tested, NOX could be lowered to below the Tier 4 standards with optimized fuel  injection timing. Exhaust gas recirculation (EGR) was necessary as engine load increases to lower peak  combustion temperatures and keep NOX emissions low. The RCCI combustion mode was able to almost  eliminate smoke emissions from the engine at all loads and injection timing settings as shown in Figure 3. This 

5

result is significant as conventional diesel engines operating with diesel fuel only generally have much higher  NOX and soot concentrations that increase with load. Our results show that hydrous ethanol RCCI operation  may not require expensive NOX catalysts or diesel particulate filters (DPFs) to meet the most stringent  emissions standards for off‐road vehicles.   Unburned hydrocarbon emissions were approximately 100 times the US EPA Tier 4 off‐highway standards as  shown in Figure 4. Here the hydrocarbon emissions were dominated by unburned ethanol that escapes the  combustion chamber. The RCCI regime is known for high levels of hydrocarbons resulting from cool areas of the  combustion chamber where premixed fuel does not ignite. Such emissions must be oxidized using a diesel  oxidation catalyst (DOC) for any practical combustion system. The CO emissions were also high for low engine  loads as shown in Figure 4 though they can be reduced to levels comparable with the Tier 4 standard for higher  loads. 

  Figure 3: Engine indicated specific (IS) NOX and soot emissions as a function of 2nd diesel injection timing in the  RCCI mode. Engine operating conditions: 150 proof ethanol, engine speed = 1500 rpm, ethanol energy fraction =  75% 

6

  Figure 4: Engine indicated specific (IS) CO and non‐methane hydrocarbon (NMHC) emissions as a function of 2nd  diesel injection timing in the RCCI mode. Engine operating conditions: 150 proof ethanol, engine speed = 1500  rpm, ethanol energy fraction = 75%    Engine indicated thermal efficiency is defined as the indicated power divided by the energy flow of fuel  coming into the engine. Figure 5 shows indicated efficiency for tested engine load conditions. It remained high  over the diesel injection timing range but decreased slightly at early second diesel injection timing. The chart  illustrates that a peak in efficiency was found for each load as a function of diesel timing. As the engine load  increased the optimal timing location for peak efficiency moved later toward top dead center (TDC) and the  peak efficiency increased with increasing load. Near 50% indicated efficiency compared with the efficiency  obtained with conventional diesel combustion with no ethanol added. Overall, no thermal efficiency advantage  was found for RCCI over conventional diesel‐only operation. This is primarily due to higher thermodynamic cycle  efficiency being offset by poorer combustion efficiency. Combustion efficiency is a measure of the portion of  incoming fuel that remains unburned and has a direct effect on overall thermal efficiency.  

7

  Figure 5: Engine indicated efficiency as a function of 2nd diesel injection timing in the RCCI mode. Engine  operating conditions: 150 proof ethanol, engine speed = 1500 rpm, ethanol energy fraction = 75%.  Following the parameter sweep experiments, Response Surface Method (RSM) was applied to optimize the  RCCI operating parameters for engine performance and emissions improvement and characterize the effect of  different operating parameters on RCCI combustion. The goal of the RSM analysis was to find the optimum  engine settings for dual fuel hydrous ethanol RCCI. RSM is a set of mathematical and statistical techniques  seeking to optimize an objective function (or response) that is affected by multiple factors using design of  experiments (DoE) methods and statistical analysis The RSM experiments were completed at two engine loads,  10 and 22 hp/cylinder, using 150 proof hydrous ethanol. In this study, the response variable was defined as in  Equation 1, describing the objectives as to obtain an overall minimum of weighted CO2, HC, CO, NOX and soot  emissions.    ܎ሺ‫܆‬ሻ ൌ ‫܀‬۳‫܁ۼ۽۾܁‬۳ ൌ

૚૙૙૙ ૛

۷‫܁‬ష۱‫۽‬૛ ቇ ۷‫܁‬ష۱‫۽‬૛ ‫ܜ‬

ቆ

૛

۷‫܁‬ష۶۱‫ܜ‬ ቁ ۷‫܁‬ష۶۱‫ܜ‬

ାቀ

۷‫܁‬ష۱‫ ۽‬૛ ۷‫܁‬ష‫ ܠ۽ۼ‬૛ ۷‫܁‬ష‫ܜܗܗ܁‬ ቁ ାቀ ቁ ା ۷‫܁‬ష۱‫ܜ۽‬ ۷‫܁‬ష‫ܜ ܠ۽ۼ‬ ۷‫܁‬ష‫ܜ ܜܗܗ܁‬

   Equation 1 

ାቀ

In the equation: X={x1, x2… xn} denotes the vector of operating parameters to be optimized; IS‐CO2, IS‐HC, IS‐CO,  IS‐NOX and IS‐Soot denote measured emissions on an indicated specific basis; IS‐CO2t, IS‐HCt, IS‐COt, IS‐NOXt and  IS‐Soott denote target values for the indicated specific emissions.  Settings of operating parameters obtained from previous RCCI evaluation testing were used for the starting  points of the RSM experiments, and Table 3 lists selected settings.             

8

Table 3: Two engine conditions chosen for optimization  Engine Load (hp/cylinder) 

10 

22 

Engine Speed (rev/min) 

1500 

1500 

Diesel SOIC 1 (ºATDC) 

‐60 

‐60 

Diesel SOIC 2 (ºATDC) 

‐32 

‐22 

DI Injection Pressure (bar) 

400 

800 

Fraction of 1st Diesel Injection (%) 

60 

60 

Ethanol Energy Fraction (%) 

75 

75 

Intake Temperature (ºC) 

102 

43 

Intake Pressure (bar) 

1.6 

1.9 

EGR rate (% vol.) 

0 

29 

Fuel/Air Equivalence Ratio 

0.31 

0.60 

The process of the RSM experiments is described as following.   1. A set of factor screening experiments was conducted for each load condition. The 8 operating parameters  that were selected as the candidates were: dwell between the 1st and 2nd diesel injection (dwell), 2nd diesel  injection timing (SOI2), fraction of the 1st diesel injection (Inj1Fr), diesel rail pressure (RailP), fumigant energy  fraction  (FEF),  EGR  rate  (EGR),  intake  air  temperature  (IntT),  and  intake  air  pressure  (IntP),  and  they  are  listed in Table 4. A two‐level fractional factorial design with resolution IV was used for these experiments. It  was found that 5 operating parameters out of the initial 8 were significant for the low load condition which  were  SOI2,  Inj1Fr,  RailP,  FEF  and  IntP.  For  the  high  load  condition,  the  active  factors  were  Dwell,  Inj1Fr,  RailP, IntT and EGR.  Table 4: Engine Parameters of Interest for Optimization  Symbol 

Tint 

Pint 

Operating  Intake  Intake  Parameter  Temperature  Pressure 

EGR  EGR  Rate 

Dwell  Interval  between  Two  Injections 

SOIC2  Second  Diesel  Injection  Timing 

Prail  Diesel  Fuel Rail  Pressure 

Inj1Fr  Fraction  of First  Diesel  Injection 

FEF  Fumigant  Energy  Fraction 

  2. A set of experiments was conducted subsequently with respect to the active operating parameters to find  the  optimization  path  for  the  response  at  each  load.  The  experimental  design  was  a  two‐level  fractional  factorial  design  with  resolution  V  and  repeated  center  points.  A  first‐order  model  was  then  fit  to  the  experimental results, and it was found that the lack of fit (LoF) of the model was significant for both loads,  indicating that the first‐order model is not sufficient to describe the system.  3. The  experimental  design  in  Step  2  was  then  augmented  with  axial  points  to  build  a  second‐order  model.  Through ridge analysis for the second‐order model, an optimization path for the response was obtained for  each load.   4. Experiments were conducted along the optimization paths obtained in Step 3. A maximum value of response  was  obtained  before  encountering  physical  limits  of  certain  operating  parameters.  For  the  high  load  condition,  the  predicted  optimal  intake  air  temperature  and  fraction  of  diesel  fuel  based  on  the  ridge  analysis were too low for stable combustion to maintain. Accordingly, these two parameters were raised up  with respect to their predicted values for stable operation in the steepest ascent experiments. A comparison  of  selected  performance  and  emissions  results  between  the  optimal  points,  the  starting  points  and  the 

9

target  values  is  given  in  Table  5.  At  the  low  load  condition,  the  primary  improvement  was  that  the  NOX  emissions  were  remarkably  reduced  from  2  g/kW‐hr  to  0.31  g/kW‐hr,  below  the  Tier  4  limit  which  is  0.4  g/kW‐hr. However, the thermal efficiency and HC and CO emissions were compromised. At high load, NOX,  HC and CO emissions were substantially reduced as a result of the optimization, while a slight decrease in  thermal efficiency was observed despite an improvement of combustion efficiency.   Table 5: Comparison of starting points and optimal points results at 10 and 22 hp/cylinder loads   

Indicated  Efficiency 

Comb.  Efficiency 

IS‐CO2 

IS‐NOx 

IS‐soot 

IS‐HC 

IS‐CO 

‐ 

‐ 

g/kW‐hr 

g/kW‐hr 

g/kW‐hr 

g/kW‐hr 

g/kW‐hr 

10 hp/cyl Target 

‐ 

‐ 

536.8 

0.32 

0.0080 

17.34 

11.70 

10 hp/cyl Start 

0.451 

0.894 

455.4 

1.988 

0.0060 

21.6 

23.1 

10 hp/cyl Optimal 

0.438 

0.888 

492.0 

0.312 

0.0028 

27.0 

16.9 

22 hp/cyl Target 

‐ 

‐ 

536.8 

0.32 

0.0080 

17.34 

11.70 

22 hp/cyl Start 

0.467 

0.926 

518.7 

0.558 

0.0008 

19.0 

7.5 

22 hp/cyl Optimal 

0.456 

0.962 

546.1 

0.155 

0.0010 

9.5 

4.6 

  Based on our findings, we have determined that RCCI with hydrous ethanol is feasible over nearly the  entire load range of the engine. Emissions of NOX and soot are reduced to below EPA off‐road Tier 4 levels and  engine fuel consumption stayed constant.     A multi‐cylinder test of the dual‐fuel RCCI system was not performed as part of this project as the single‐ cylinder experiments were found to be sufficient to prove the hypothesis that hydrous ethanol could be used to  reduce emissions in diesel engines. However, future work is considering multi‐cylinder dual‐fuel diesel engines  operating on hydrous ethanol, fulfilling this objective.   Results of Technology or Process Assessed:  Through this project, we found that using hydrous ethanol in a dual‐fuel configuration could reduce  emissions of diesel engines to regulated levels without aftertreatment and maintain efficiency compared to  diesel only operation. It also showed that complete control over the engine is required to obtain these benefits.  In practice, the solution developed here would need to be implemented by and engine original equipment  manufacturer (OEM). We have communicated the results of our study at technical conferences and to engine  OEMS directly. Based on these discussions, we have concluded that for dual fuel engine technology to succeed, a  significant market needs to be developed for hydrous ethanol before an OEM solution can be viable. We believe  that there is considerable incentive to reduce emissions using dual fuel hydrous ethanol/diesel especially in the  off‐highway engine market where strict regulatory standards are requiring expensive aftertreatment systems.  Identified markets for a dual‐fuel system include stationary generators, irrigators, tractors, locomotive and  shipboard engines.    Benefit to Minnesota Economic Development:    Expanding the market for fuel ethanol could have a significant impact on Minnesota’s economy. This  project has shown that hydrous ethanol can replace a significant amount of diesel fuel use in Minnesota if dual‐ fuel engines were commercially available. An additional market for fuel ethanol could help growers and  producers by allowing them to reduce risk and potentially expand their operations. Despite the potential of  hydrous ethanol, dual fuel engines will not be produced by engine OEM’s unless fuel infrastructure is installed  and a clear market demand from consumers is proven. 

10

Marketing:    Results from this project have been published at several conferences and in peer‐reviewed technical  5,6,7 journals . The PI Northrop has also discussed results from the project with OEM engine manufacturers  including Cummins and John Deere. Highlights from this project have also been publicized in Ag Innovation  News, the University of Minnesota’s Center for Transportation Studies Catalyst newsletter.     Conclusions:  The aim of this research is to demonstrate high efficiency, low emissions engine operation in a modified  diesel engine with hydrous ethanol providing up to 80% of the fuel energy input. A new dual‐fuel combustion  concept, reactivity controlled compression ignition (RCCI) has been used to reduce soot and oxides of nitrogen  (NOX) emissions while maintaining very high engine efficiency. RCCI operation has been successfully  demonstrated over a wide range of engine load. NOX and soot emissions well below the US EPA Tier 4 standards  have been achieved, at the expense of slightly lower thermal efficiency and higher HC and CO emissions than in  conventional diesel engines. With such remarkable improvement in engine‐out NOX and soot emissions, the  demand for catalytic aftertreatment can be significantly reduced. A Design of Experiments technique, Response  Surface Method, has been applied to optimize the RCCI operating parameters at different load conditions, and  significant improvement on the overall engine performance and emissions has been gained.  This work has successfully shown that significant emissions reductions can be obtained using hydrous  ethanol in a diesel engine with complete control of the engine fuel injection calibration. Such results could  impact diesel engine manufacturers to consider the use of hydrous ethanol dual‐fueling as a viable option for  future products.  Future Needs/Plans:    Based on the successful technical results of this project, future work should be directed towards  developing a market for, and source of hydrous ethanol. These two tasks are being addressed through current  projects funded by the MN Corn Growers and AURI. In the first, “Development of a Port‐Injected Hydrous  Ethanol System for Diesel Engines” (AIC209), our goal is to develop an aftermarket hydrous ethanol injection  system that can be easily installed on some diesel engines and that can achieve up to 50% FEF with 150 proof  ethanol of without modifying the original electronic control unit of the engine. This aftermarket system will  provide a way to commercialize dual‐fuel diesel engines without an OEM solution, potentially leading the way to  a larger market for diesel replacement with ethanol. As an extension of this work, we are hoping to demonstrate  a hydrous ethanol dual‐fuel engine in the field in the summer of 2015.    The second program related to this project is entitled “Quantifying Energy Savings Gained through  Production of Hydrous Ethanol from Corn”. The objectives of this project are to conduct a detailed analysis of  5

 Northrop, W. F., Fang, W. & Huang, B. Combustion Phasing Effect on Cycle Efficiency of a Diesel Engine Using Advanced  Gasoline Fumigation. in Proc. ASME 2012 Intern. Combust. Engine Div. Spring Tech. Conf. 1–8 (2012).  6  Fang, W., Huang, B., Kittelson, D. B. & Northrop, W. F. Dual‐Fuel Diesel Engine Combustion with Hydrogen, Gasoline, and  Ethanol as Fumigants: Effect of Diesel Injection Timing. in Proc. ASME 2012 Intern. Combust. Engine Div. Fall Tech. Conf. 1–9  (2012).  7   Fang,  W.,  Kittelson,  D.  B.  &  Northrop,  W.  F.  An  Experimental  Investigation  of  Reactivity‐Controlled  Compression  Ignition  Combustion in a Single‐Cylinder Diesel Engine Using Hydrous Ethanol. in Proc. ASME 2013 Intern. Combust. Engine Div. Fall  Tech. Conf. 1–9 (2013). 

11

how hydrous ethanol of different proof could be efficiently produced at existing ethanol plants and determine  the cost and energy savings that might result compared to anhydrous ethanol production. The project will lead  the way to providing additional incentive for producers to provide hydrous ethanol to the marketplace.        

12